- •Тема 5. Уравнения прямой и плоскости.
- •1. Общее уравнение прямой. Общее уравнение плоскости.
- •2. Другие виды уравнений прямой и плоскости.
- •3. Уравнения прямой в пространстве.
- •4. Основные задачи на прямую и плоскость в .
- •5. Взаимное расположение прямой и плоскости. Взаимное расположение плоскостей в линейном пространстве.
- •Тема 6. Линейные операторы.
- •1. Взаимно однозначные отображения.
- •2. Линейные операторы.
- •3. Матрица линейного оператора.
- •4. Ядро и образ линейного оператора.
- •5. Линейное пространство операторов.
- •6. Умножение линейных операторов.
- •7. Невырожденные операторы. Обратный оператор.
- •8. Ограниченность линейного оператора в конечномерных нормированных пространствах.
- •9. Норма линейного оператора.
4. Ядро и образ линейного оператора.
Оператор
![]()
![]()
,
вообще говоря, не является взаимно
однозначным отображением. Поэтому для
изучения его свойств желательно выделить
в пространстве
те множества
,
которые оператор
отображает на
взаимно однозначно. С этой целью введем
множество
![]()
,
которое называется ядром оператора
,
и напомним, что образом (областью
значений) оператора
называется множество
![]()
.
Теорема
6. Пусть
![]()
![]()
.
Тогда
является линейным подпространством
пространства
,
является линейным подпространством
пространства
,
![]()
,
.
Доказательство.
Докажем, что
является подпространством в
.
Пусть
и
,
т.е.
![]()
и
![]()
.
Тогда для любых чисел
,
т.е.
![]()
.
Это и значит, что
– подпространство в
.
Докажем, что
является подпространством в
.
Пусть
и
,
где
![]()
и
.
Тогда для любых чисел
является образом элемента
при линейном отображении
.
Это и значит, что
– подпространство в
.
Разложим линейное
пространство
в прямую сумму
,
где
– любое дополнительное до
подпространство (напомним, что
подпространство
можно дополнить до всего пространства
,
вообще говоря, многими способами; см.
тему 2). Такое разложение означает, что
каждый элемент
![]()
единственным образом представим в виде
,
где
![]()
,
.
Тогда
![]()
![]()
.
Следовательно, в силу произвольности
,
любой элемент подпространства
имеет хотя бы один прообраз
из подпространства
.
Докажем, что этот прообраз в подпространстве
единственный. Предположим противное:
пусть для некоторого элемента
![]()
в
найдутся два прообраза
и
.
является подпространством, поэтому
![]()
![]()
.
Но тогда
,т.е.
![]()
.
Из того, что пространство
было разложено в прямую сумму
следует (см. тему 2), что
.
Поэтому
.
Итак, оператор
устанавливает взаимно однозначное
соответствие между элементами
подпространств
и
.
Поскольку линейный оператор сохраняет
линейные комбинации, это взаимно
однозначное соответствие является
линейным изоморфизмом. Изоморфные
линейные пространства
и
имеют одинаковые размерности:
.
Осталось снова вспомнить, что
было разложено в прямую сумму
.
Отсюда
![]()
.
Докажем, наконец,
что
.
Пусть
![]()
– базис пространства
,
а
–
базис пространства
.
Очевидно, что образ оператора
является линейной оболочкой образов
всех элементов базиса
:
![]()
![]()
.
В базисах
и
оператор
имеет матрицу
![]()
![]()
,
т.е.
,
.
Из линейной независимости элементов
следует, что среди элементов
линейно независимых столько, каков ранг
матрицы
.
Но
.
Размерность
ядра оператора
часто называют дефектом этого
оператора; обозначение:
.
Теорема 6 утверждает, что
![]()
.
Замечание.
Сравните утверждение теоремы 6 с
утверждением теоремы 6 темы 3 о размерности
ядра
-матрицы
:
.
5. Линейное пространство операторов.
Суммой операторов
![]()
![]()
называется отображение
,
действующее из
в
по правилу
для всех
.
.
Произведением
оператора
![]()
![]()
на число
называется отображение
,
действующее по правилу
для всех
.
.
Теорема
7. Для любых операторов
![]()
![]()
и для любого числа
![]()
![]()
,
![]()
![]()
.
(Докажите самостоятельно.)
Теорема 7 означает,
что множество
![]()
всех линейных операторов, действующих
из
в
,
является линейным пространством (над
тем же полем чисел
,
над которым заданы
и
).
Задача.
Проверьте выполнение всех аксиом
линейного пространства для
![]()
.
Какова размерность линейного пространства
![]()
?
